水田小型除草機器人平臺控制系統設計與測試

齊 龍，廖文強，馬 旭，林建衡，區志行，詹志勛

（1.華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；2.華南農業大學 工程學院，廣州 510642）

機械除草作為一種無化學藥劑投入的除草方式，具有污染少、甲烷排放低、利于秧苗生長等優點［1］。目前，日本已相繼有一系列的除草機型在水稻生產中應用［2－5］；我國在水田中耕除草機具的研制方面雖然相對落后，但是近年來也逐漸發展起來［6－8］。

水田中耕除草機通過水田拖拉機底盤帶動除草部件運動進而完成除草作業，然而，由于水稻行、株距較?。藴市芯酁?00mm、窄行距為250 mm；株距為100～140mm），并且機插秧時，一般在地頭都會橫插幾行稻苗，致使中耕除草機在水田作業或地頭轉彎時，由于人為操作的不準確致使傷苗、壓苗現象較為嚴重。因此，需要研制輕便、智能的除草機器人來提高除草精度，并減少傷、壓苗率。

國內外的農田除草機器人的研究主要集中在旱田上［9－12］，水田相對較少。在水田除草機器人研究方面，日本做了部分相關研究，其原理是通過無線通信技術把機器人平臺采集的圖像數據傳輸到PC機上處理，根據圖像處理結果實現自動導航的功能［13］。目前，我國未見水田除草機器人的相關研究。本研究設計的水田小型除草機器人平臺控制系統能夠無線接收來自計算機的圖像處理信息，機器人能夠實時根據圖像處理結果改變行走路線實現自動導航功能；同時，為了解決因意外致使自動導航失效或地頭轉彎時無作物行參照的情況，本系統增加了手動遙控功能，可以通過遙控手柄靈活控制機器人應對各種圖像處理無法實現的狀況。

1 整體架構及描述

水田小型除草機器人平臺控制系統原理如圖1所示。整個控制系統主要由車載控制模塊、PC端轉譯發射模塊、遙控端控制模塊3部分組成，實現對機器人平臺的2種控制方式:自動導航控制和遙控手柄控制。車載控制模塊在同一時間只接受一種控制方式，自動導航模式或手動遙控模式。

當控制系統處于自動導航模式時，攝像機攝取的稻田影像通過無線影音傳輸器和圖像采集卡傳送到PC機中進行處理（該導航算法部分本文未涉及），車載控制模塊的單片機不斷接收由PC端轉譯發射模塊轉譯的圖像處理結果，并由電機驅動電路控制驅動機器人行走的2臺電機，實現機器人平臺的位姿調整和自律行走。當因意外狀況或地頭轉彎導致自動導航失效時，可采用手動遙控功能，即通過遙控手柄控制機器人的行走。

圖1 水田小型除草機器人平臺控制系統原理Fig.1 Working principle of control system of miniweeding－robot platform in paddy field

2 車載控制模塊

2.1 硬件設計

車載控制模塊是整個控制系統的核心部分，安裝在水田小型除草機器人平臺上。主要由nRF905無線收發器、C8051F340單片機、H橋大功率電機驅動電路L9958SB以及電源電路組成，如圖2所示。

圖2 車載控制模塊實物Fig.2 Control system on platform

根據復雜的水田環境，選擇大功率、大扭矩帶編碼器的空心杯直流減速電機（JCF765344，Faul haber）作為機器人平臺行走的驅動電機，其額定電壓為24V、功率為150W、輸出轉速為60r／min、扭矩為120kg·cm。在電源設計上，車載系統電池采用2塊膠體電池（12V－12Ah）串接成24V電源，通過電源芯片LM2596－5.0 及AMS1117－3.3將24V的電池電壓轉換為穩定的5VDC以及3.3VDC，分別供給外圍電路及單片機處理電路。

作為邏輯控制中心的C8051F340單片機通過讀取nRF905無線收發器接收到的自動導航信息或者手動遙控命令，將其解碼并轉譯成電機控制命令，通過DI、EN引腳完成電機驅動電路L9958SB的使能，同時通過PWM、DIR引腳來實現正反轉脈沖的輸入，進而完成對機器人平臺行走及轉向的控制和機器人運動狀態的實時更新，車載控制模塊電源及電機控制電路如圖3所示，其中 U1為5VDC－DC芯片 LM2596，U2為REG1117－3.3V穩壓芯片，U3 為單片機C8051F340，U4為 H橋驅動芯片L9958SB，D1、D7為肖特基二極管，F1為10A保險絲，M為直流減速電機。

圖3 車載控制模塊電源及電機控制電路Fig.3 Circuit diagram of control system on platform

2.2 軟件設計

在軟件設計上，采用狀態機的思想，詳細明確地劃分邏輯功能模塊，提供統一控制參數；在源代碼的可讀性及軟件容錯性上提供了很好的支持。

車載控制模塊的軟件設計劃分為4個部分（見圖4），分別為系統啟動的初始化、狀態管理、電機驅動程序以及數據反饋程序。

圖4 車載控制系統狀態流程圖Fig.4 State flow chart of control system on platform

程序初始化后，狀態管理程序主要完成根據回讀數組的首字節實現各個狀態的跳轉；電機驅動程序主要功能是在判別空中接口的指令為電機控制命令后，轉入電機狀態更新函數，根據回讀數組的第2字節和電機狀態命令表的對比更新電機狀態；數據反饋程序主要用于擴展，該程序根據上位機讀取車體各傳感器參數重置系統，車載控制模塊狀態流程如圖5所示。

圖5 PC端轉譯發射模塊實物Fig.5 Information translation and sending module on PC

機器人平臺動作的控制是通過固定長度的脈沖信號，使左右電機各自轉動一定的角度以實現循跡運動，其脈沖寬度取決于硬件系統的最高響應精度。平臺轉角控制計算公式如下:

式中:ψ為轉動角度（rad）；T為脈沖寬度（ms）；V 為履帶線速度（m／s）；NL、NR為輸入左、右電機驅動芯片的脈沖數。

3 PC端轉譯發射模塊

3.1 硬件設計

PC端轉譯發射模塊主要由RS232串口通信電路、nRF905無線收發器、單片機C8051F340、電源電路、LED指示燈、USB供電及擴展接口組成（見圖5），其主要作用是完成PC機與車載控制模塊間的通信連接。系統中與電腦通信的接口是RS232串口，亦可在模塊中加載USB驅動，實現與電腦的USB通信。

PC端轉譯發射模塊的核心是串口對無線接口的轉換處理，模塊通過串口電路RS232與PC機進行有線的數據交換，數據通過C8051F340單片機內置對碼表實現有線到無線的轉換，從而把對應的命令無線發送到車載控制模塊上并實現各個功能，PC端轉譯發射模塊電路如圖6所示，其中U1為nRF905無線收發器，U2為單片機C8051F340，U3為 MAX232電平轉換芯片，U4為 REG1117－3.3V穩壓芯片。

圖6 PC端轉譯發射模塊電路Fig.6 Circuit diagram of information translation and sending module on PC

3.2 軟件設計

PC端轉譯發射模塊上的單片機C8051F340芯片除了處理啟動各硬件電路之外，主要完成從電腦讀取串口數據，并解析出其準確含義，從而執行相應的功能。程序結構主要由4部分組成:程序初始化、狀態管理、參數管理及控制管理。

程序初始化后，狀態管理程序主要根據程序執行狀態，實現對應前臺執行狀態跳轉的功能；控制管理程序主要管理PC端自身通信的主從性，根據電腦上位機發送的參數判斷控制命令的需要，實現參數回讀的射頻接收狀態跳轉，或者小車運動控制的射頻發送狀態跳轉；參數管理程序的功能是當上位機發送“r”命令，先向機器人平臺發送參數回讀命令，接著自身設置射頻模塊為接收等待狀態，等待機器人平臺的參數回傳，PC端轉譯發射模塊狀態流程如圖7所示。

PC機通過一個字節8位的字符數據（單次發送的最大信息量）發送控制命令，共定義了9個有效命令，其他數據定義為“空命令”，不執行功能。表1為PC機對轉譯發送模塊的命令接口。

圖7 PC端轉譯發射模塊狀態流程圖Fig.7 State flow chart of information translation and sending module on PC

表1 串口命令接口Table 1 Serial command interface

4 遙控端控制模塊

4.1 硬件設計

本研究采用了標準航空模型的遙控器，該遙控模塊采用搖桿式方位控制，提供了8個不同的方位信息輸出，即前、后、左、右、左前、左后、右前、右后。遙控端控制模塊主要由標準航空模型遙控器的部分電路、改裝接口、C8051F340單片機、nRF905無線收發器及電池倉組成，如圖8所示。

圖8 遙控端控制模塊Fig.8 Control module of remote device

在本研究中，由于航模遙控器的無線輸出接口并不能兼容nRF905無線通信數傳方式，而硬件上屏蔽了器件提供的8方位遙控輸出，因此，設計時僅保留了9VDC轉5VDC的供電電路，將搖桿輸出接口改為接入基于C8051F340單片機的信號轉譯發射模塊中。

轉譯發射模塊實現的功能比較簡單，向航空模型遙控器提供搖桿的掃描接口，向除草機器人平臺提供nRF905無線通信接口。遙控器采用6節5號干電池供電，通過內部的7805穩壓電路供給系統工作，圖9為遙控端控制模塊電路，其中U1為單片機C8051F340，U2為REG1117－3.3V穩壓芯片，U3為nRF905無線收發器，U4為78X05穩壓芯片，U5為遙控器上的8向搖桿模塊。

圖9 遙控端控制模塊電路Fig.9 Control module of remote device

4.2 軟件設計

遙控端控制模塊的程序執行流程較為簡單。遙控器的功能是隨時掃描搖桿接口的狀態，并將其轉換為nRF905數據傳輸接口統一的下位機控制命令，并執行nRF905無線收發器的驅動程序將命令發送于下位機，如圖10所示。

圖10 遙控端控制模塊狀態流程圖Fig.10 State flow chart of remote－device control module

5 機器人行走平臺控制系統測試

本研究設計的水田小型除草機器人平臺總體尺寸為400mm×240mm×500mm（長×寬×高），整機重量為15kg。在華南農業大學躍進區機插秧試驗田（泥腳深度約300mm，秧苗高度約350mm；雜草主要以水田稗、千金子、丁香蓼和酸模葉蓼等雜草為主，平均高度約為40mm）對機器人行走平臺控制系統和除草性能（除草部件采用課題組設計的機械彈性觸覺除草器，除草率和傷苗率的測試方法同文獻［9］）進行了水田環境下測試。測試時，分別使用PC機和遙控手柄發送運動指令控制平臺運動，測試參數如下:車速為0.2m／s；單個電機電流為2.5A；單個電機輸出功率為60W；控制靈敏度為30ms；控制距離（最遠）為100m；除草率為81.3%；傷苗率為3.6%。

測試結果表明:所設計的水田小型除草機器人行走平臺控制系統可控制機器人在水田環境下穩定行走，PC機和遙控手柄控制都具有良好的控制靈敏度，遙控距離、平臺行走速度及除草性能均滿足田間作業要求。

6 結 論

（1）基于C8051F340單片機設計了一種包括車載控制模塊、PC端轉譯發射模塊和遙控端控制模塊的水田小型除草機器人行走平臺控制系統，可實現自動導航及手動遙控兩種控制方式，達到了水田復雜環境下控制系統穩定性及靈敏性要求。田間測試結果表明:平臺行走速度為0.2m／s，控制系統反應時間為30ms，控制距離最遠可達到100m；配置機械彈性觸覺除草部件時除草率為81.3%，傷苗率為3.6%，滿足田間智能除草作業要求。

（2）控制系統在硬件上采用模塊化設計，提供易于平臺升級的控制接口及多種傳感器的擴展接口；在軟件上采用狀態機機制，具有良好的可擴展性和可讀性，為機器人的功能擴展奠定基礎。

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